Сахалин и Курильские острова в течение долгого времени оставались “terra incognita” в археологическом отношении, хотя древняя история островов привлекает внимание русских и зарубежных исследователей с конца 19 столетия. К настоящему времени в результате исследований российских и японских археологов на территории Сахалинской области известно около тысячи археологических памятников, относящихся к разным культурно-хронологическим периодам от палеолита до этнографической современности. Сахалинскими археологами проводятся ежегодные раскопки почти во всех районах области. В фондах музея собрано около 60 тысяч находок с 250 археологических памятников. С 1990 года организуются международные археологические и этнографические экспедиции совместно с учеными из Японии и США.

Одной из главных задач сахалинской археологии является изучение проблемы первоначального заселения Сахалина и Курил древним человеком в эпоху палеолита. В экспозиции представлены древнейшие орудия труда — чопперы и чоппинги — с палеолитических стоянок Сахалина и северных Курильских островов. Возраст некоторых из них — 25—30 тысяч лет. Пластинчатый комплекс обсидиановых орудий со стоянок Южного Сахалина Сокол и Такое II относится к эпохе верхнего палеолита и датируется в пределах 18—II тысяч лет. Фотографии процесса археологических раскопок и комплексы находок со стоянок Имчин и Садовники отражают неолитические памятники Сахалина, которые датируются в пределах 5000—1000 лет. Эти материалы свидетельствуют о своеобразии островных культур, а также о существовании тесных связей и взаимовлияний древнего населения Сахалина и Курил с народами сопредельных территорий: Японии и Приморья России. Комплекс материалов: каменные и костяные изделия, керамические сосуды — характеризует охотскую культуру (2000 лет назад) Южного Сахалина и Курильских островов. Ее основой были морской промысел, охота, рыболовство и прибрежное собирательство.

Уникальными являются памятники айнов — коренных жителей Сахалина и Курил. Особый интерес представляют остатки айнских поселений и погребений. В экспозиции также представлена типично айнская посуда: керамические плоскодонные сосуды с внутренними ушками — и комплекс погребального инвентаря с айнского погребения 16—17 вв. Материальная культура айнов, отраженная в коллекции, наряду с некоторыми археологическими находками, во многом перекликается с этнографическими свидетельствами 19 века.